Главная страница сайта  Российские промышленные издания (узловые агрегаты) 

1 2 [ 3 ] 4 5 6 ... 20

ГЛАВА III

РАБОЧЕЕ ТЕЛО И ЕГО СВОЙСТВА

§ 1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Р а б О ч И f телом называется вещество, при помощи которого осуществляется действительный рабочий цикл двигателя В поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочее тело состоит из окислителя, топлива и продуктов его сгорания. Для большей масти двигателей внутреннего сгорания окислителем служит атмосферный воздух. При осуществлении рабочего цикла рабочее тело не остается постоянньш, а претерпевает .физические и химические изменения.

При зарядке, т. е. нри процессе наполнения цилиндра, в зависимости от типа двигателя в цилиндр поступает воздух или свежая смесь (смесь горючих газов, паров или мелких капель жидкого топлива с атмосферным воздухом) Воздух или свежая смесь, поступающие в цилиндр за один рабочий цикл и остающиеся в цилиндре к моменту начала сжатия, называются свежим зарядом.

В процессе сжатия рабочим телом является рабочая смесь, представляющая собой смесь воздуха или свежей смеси с остаточными газами, т. е. продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре после завершения предыдущего рабочего цикла.

В процессах расширения и выпуска рабочим телом являются продукты сгорания топлива.

При осуществлении цикла тепловые свойства рабочего тела изменяются в зависимости от его температуры и состава.

§ 2. ТОПЛИВО

Теплота, необходимая для осуществления рабочего цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания, выделяется при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.

В двигателях внутреннего сгорания применяются лишь те топлива, которые легко перемешиваются с воздухом, образуя горючую смесь, и в продуктах сгорания которых не содержится твердого (зольного) остатка. Даже относительно небольшое количество золы, отлагающееся на стенках цилиндра, приводит к быстрому износу гильзы цилиндра, поршневых колец и поршня двигателя. Поэтому в поршневых двигателях можно использовать только газообразные или жидкие топлива, практически не содержащие золы. Твердое топливо может быть использовано в двигателях только после переработки его в жидкое или в горючий газ в специальных устройствах - газогенераторах.

В качестве газообразного топлива в двигателях внутреннего сгорания применяется природный газ из чисто газовых месторождений, промышленные газы, получаемые при добыче и переработке нефти, при выжиге кокса и вы-



плавке чугуна, канализационные газы и газы, специально получаемые из различных твердых топлив путем их газификации. Любое газообразное топливо является механической смесью различных горючих и инертных газов. В состав газообразного топлива могут входить в различных соотношениях. окись углерода СО, водород Н2, метан СН4, тяжелые углеводороды вида С„Н„, углекислый газ СО?, кислород О? и инертные газы, в основном азот N?.

В обш,ем случае химическую формулу любого, содержащего углерод С, водород Н и кислород О горючего или негорючего компонента, входящего-в состав газообразного топлива, можно представить в виде С„Н„р). . ЧислО' атомов углерода п в компонентах газообразного топлива меняется от О до 5, водорода т - от О до J2, кислорода г - от О до 2.

Состав газообразного топлива, если содержание отдельных его компонентов в 1 кг моль {м^) выразить в объемных долях и обозначить их химическими формулами этих компонентов, определяется следующим образом:

2СЛА + 2=1 кг моль. (11)

Состав некоторых газообразных топлив для двигателей внутреннего-сгорания приведен в табл. I.

Жидкое топливо, применяемое в двигателях внутреннего сгорания, представляет собой, в основном, различные продукты переработки нефти: бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, соляровое масло, тяжелое дизельное топливо (моторное). Применяется гакже и синтетическое жидкое топливо получаемое из различных видов твердых топлив и газов.

Жидкие топлива обычно представляют собой смеси различных углеводородов следующих гомологических рядов:

1) парафиновые углеводороды (алканы), имеющие элементарный состав, соответствующий общей формуле C H2n-f2;

2) нафтеновые углеводороды (цикланы) с обтцими формулами CHg;,;.

С„Н2 2 и ДР-;

3) ароматические углеводороды с общими формулами C H2n G-n2n~i2 и ДР-

В жидких топливах, полученных в результате некоторых видов деструктивной переработки нефтяных фракций, встречаются олефиновые (ненасыщенные) углеводороды (алкены), состав которых также соответствует формуле С/Нг, совпадающей с формулой для-нафтеновых углеводородов, но-с другим размещением атомов в молекуле. В топливах, полученных путем прямой перегонки не()ти, углеводороды олефинового ряда практически отсутствуют.

В состав жидких топлив входят углеводороды с числом атомов углерода в молекуле от п = 6 до п = 30. Разнообразие свойств углеводородов в каждом ряду обусловлено величиной их молекулярного веса и структурой молекул. С ростом молекулярного веса повышаются плотность, вязкость, температуры плавления и кипения углеводорода. Определение количества отдельных углеводородов, входящих в состав топлива, представляет собой весьма сложную задачу. В большинстве случаев ограничиваются определением, группового химического и элементарного составов топлива. Групповой химический состав характеризует процентное содержание в топливе углеводородов-различных гомологических рядов, определяютцих его физико-химические свойства. Элементарный состав показывает содержание в топливе отдельных элементов. В состав жидкого топлива обычно входят углерод С, водород Н и кислород О. Иногда в топливе содержится некоторое количество серы S

* Так, например, при п == \, т = О и г-2 получим химическую формулу углекислого-газа COg. при л = 2, т- 6иг = 0- химическую формулу этана С^Не, при п - о, m = 2 и -=0 - химическую формулу водорода Hg и т. д.



XapaKTepHcfHKH гбрюЧих газов

Состав по объему

в о/о

Теплотворность

и в ккал1м'

Водород

Метан СН.

Этан СгНо

пропан СзНз

Путан С.Ню

Пентап и более тяжелые углеводороды

Окись углерода СО

Углекислый газ СОг

Лзот N2

Сероводород H2S

Кислород 0

Природные:

97,8

0,05

0,05

8 498

елшанскии......

93,2

Следы

8 371

ставропольский(Север-

97,7

8 310

ное поле) .....

Промысловые:

грозненский (Октябрь-

нефть) .....

53,2

12,9

17,0

16 268

ишимбаискнн (Ишим-

байпефть) .....

42,4

12,0

20,5

13 759

бакинский .....

71,9

10,1

10,4

9 865

Промышленные:

жидкофазный крекинг

30,5

18,0

15,0

24,0*

15 024

парофазный крекинг .

32,0

14,0

38,5

13 674

коксовый .......

50,0

25,0

10,0

4 000

си]лез-газ......

52,0

11,0

24,6

5 300

доменный ......

28,0

60,0

канализационный ** .

1.45

89,0

0,15

7 200

Генераторные:

из кускового торфа . .

15,0

28,0

46,4

1 532

из антрацита .....

14,0

27,0

52,0

1 240

из дров .......

12,0

20,0

11,0

54,5

1 118

* С2Н4-4,50/0; СзНб-7,50/0; С4Н8-6,Оо/о; С„Н; -6,00/о. С2Н4-12,50/0; СзНб-15,Оо/о; С4Н8-6,0%; С„Н„, - 5,00/о. *** После отмывки COg.



5¥§

о. о. г' <> с t:

<u I с ю г о S

о t. 01

А tjj i, к

= сз га о ° О) >,сз в;

г. Л)

I (III

о 10 CD о Ю

О СО О

см см со

о о

ю <м ю о

- см со

I § I I

- GJ CN СЧ

ю о о о CS оо - см см

LO о о

ю о о ю

СТ> Ю <7)

- -> см

о OJ см со

ш о о о

С£> со ~i о

- - см

о 1X3 о

Ю ООО

LO--.см

LO ю - -i см

I II II

ю о

оооо ооою ю оо

и о

о

§§

о

о

(М 00 о

т т т 1

ю

1111

о

-. со © оо

- - -

о

о

LO о о о о Ю CD CD г-

со оо оо 00 оо

5ю

о .

S о

=f S .

сз о Е

и оа 3

.3 о

= X о

с а, д

о о J3

Н Е- с;

сз сз П

к

(-О

t- с о

и азота N, однако их содержание настолько незначительно, что при расчете ими обычно пренебрегают.

элементарный состав жидкого топлива, если содержание отдельных элементов в 1 кг топлива выразить весовыми долями и обозначить их знаками соответствующих элементов, определяете следующим образом:

с4-Н + 0== 1 кг. (12>

элементарный состав жидких топлив для двигателей внутреннего сгорания приведен в табл. 2.

физико-химические свойства топлива должны удовлетворять определенным требованиям учитывающим особенности конструкции данного двигателя и условия его эксплуатации. поэтому топлива характеризуются рядом показателей.

одним из важнейших показателей любого топлива является теплотворность, т. е. количество теплоты, которое выделяется при его полном сгорании. при сжигании топлива в воздухе принято относить теплотворность к весовой или объемной единице количества сгоревшего топлива. обычно теплотворность газообразного топлива относят к I м' при О С и 760 мм рт. ст., а жид-, кого - к 1 кг. более высокая теплотворность обусловливает меньшие-удельные расходы топлива в двигателе, что особенно важно для двигателей транспортных машин.

теплотворность топлива может быть определена или экспериментально сжиганием в калориметре или приближенно подсчитана по содержанию в топливе отдельных элементов, а также по эмпирическим формулам. при калориметрировании определяют высшую теплотворность топлива И^. при этом величины несколько различаются в зависимости от того, происходит ли сжигание при постоянном объеме или при постоянном давлении. разницей между значениями высшей теплотворности, определенной при постоянном объеме и постоянном давлении обычно пренебрегают ввиду ее незначительности О 1,5%). точно так же можно пренебрегать и разницей в значениях теплотворности топлива (около



www.vokb-la spb.ru Топливо 31

1%), которая получается в зависимости от того, принималась ли при подсчетах теплоемкость газоз от 0° С или от 0° абс.

При тепловом расчете двигателей внутреннего сгорания пользуются значением низшей теплотворности топлива Я„, так как продукты сгорания выпускаются в окружающую среду при температуре более высокой, чем температура конденсации водяных паров, и, следовательно, теплота паро--, образования не может быть использована.

Между низшей и высшей теплотворностями топлива существует следующая связь:

H = H-(500W, (13>

где W - количество водяных паров в продуктах сгорания весовой или объемной единицы топлива; 600 - значение теплоты парообразования, принимаемое при технических расчетах, в ккал/кг. . Количество водяных паров в продуктах сгорания находят но различным) формулам в зависимости от вида топлива. Для газообразного топлива

= --nnPr~h /м' топлива, (14)

где W - содержание влаги в газе в кг/м^ топлива. Для жидкого топлива

W - 9U-{-w кг1кг топлива, (15)

где W - весовое содержание влаги в 1 кг топлива.

При отсутствии данных непосредственного определения теплотворности газообразного топлива ее подсчитывают по формуле

Я„ = 3050СО 4- 2570-- 8520СН + 13370С^Н. -f 14 2ООС2Н4 -f-

+ ISllOCaHe --21700C8H8-f 28600C4Hjo4-34 920C5H,3 ккал1м\ (16>

где коэффициенты перед объемными долями компонентов газа соответствуют низшей теплотворности 1 этих компонентов при 0° С и 760 мм рт. ст.

Теплотворность жидкого гоплива может быть подсчитана по элементарному составу по эмпирической формуле, предложенной Д. И. Менделеевым:

Я„ = 8100С 4-ЗООООН -2600(O-S)-600(9II-h гг;) ккал1кг. (17>

В формуле (17) коэффициенты, которые стоят перед весовыми долями элементов и воды, входящих в состав топлива, не равны теплотворности этих, элементов .

Для подсчета низшей теплотворности нефтяных топлив можно также пользоваться эмпирической формулой Крэго:

Я„ = 11 088 -j- Ibid - 21кка цкг, {18>

где d - удельный вес топлива нри 15 С в кг/л.

Последняя формула применима для безводных нефтяных топлив с удельным весом от 0,510 до 0,990 и дает расхождение с опытными данными в пределах 3%.

В табл. I и 2 приведены величины низшей теплотворности различных видов топлива, применяемых в двигателях внутрепиего сгорания.

Теплотворность элемента, входящего в какое-либо соединение, не равна теплотворности того же элемента, взятого в отдельности (обычно первая меньше), так. как часть выделяющейся энергии затрачивается на расщепление молекул.




Важнейшим показателем качества жидких топлив является испаряемость, т.е. способность топлива переходить в парообразное состояние. Для двигателей с внешним смесеобразованием особенно необходимо топливо с высокой испаряемостью. От испаряемости топлива существенно зависит протекание рабо-. чего процесса, а также пусковые характеристики двигателя. Испаряемость жидких топлив характеризуется фракционным составом, который показывает объемное содержание углеводородов топлива в процентах, выкипающих до той или иной температуры. График зависимости объема испарившегося топлива от температуры называется кривой фракционной разгонки.


О 50 W0 J3D 200 250 300 350 С

Фиг. J5. Кривые фракционной разгонки топлив:

I - авиационный бензин; 2 - автомобильный бензин; 3 - тракторный лигроин; 4 - тракторный керосин; S - дизельное топливо.

В табл. 2 приведены значения фракционного состава жидких топлив, £i на фиг. 15 показаны кривые фракционной разгонки топлива.

Скрытая теплота испарения жидких топлив оказывает влияние на процесс смесеобразования в двигателе. Процесс испарения сопровождается понижением температуры смеси. Поэтому в двигателях с внешним смесеобразованием при большой скрытой теплоте испарения топлива улучшается наполнение. По абсолютной величине скрытая теплота испарения жидких топлив невелика и уменьшается по мере утяжеления фракционного состава (с увеличением плотности топлива и температуры кипения). Скрытая теплота испарения бензинов составляет примерно 75-80 юшл/кг, тракторных керосинов 70-75 ккал/кг, дизельных топлив 60-65 ккал/кг. С увеличением температуры скрытая теплота испарения жидких топлив уменьшается.

Показателем качества жидких топлив, влияющим иа процессы топливо-подачи и распыливания, является кинематическая вязкость. Вязкость топлив возрастает по мере утяжеления их фракционного состава. С увеличением температуры вязкость топлива уменьшается, причем чем больше вязкость, тем сильнее, она зависит от температуры. Так, например, при понижении температуры от +20° до -20 С кинематическая вязкость бензинов возрастает примерно в 2 раза, керосинов в 3 раза, а дизельных топлив - более чем в 5-10 раз. Значения вязкости (в сантистоксах) жидких топлив приведены в табл. 2.

Одним из важнейших показателей качества топлива для двигателей с посторонним зажиганием является детонационная стойкость. При несоответствии детонационной стойкости топлива степени сжатия двигателя нару-



Шлется нормальное протекание процесса сгорания в цилиндре и происходит детонационное сгорание Детонационная стойкость топлива зависит от его группового состава. Наибольшей детонационной стойкостью обладают ароматические и изопарафиновые углеводороды, наименьшей - нормальные парафиновые углеводороды, нафтеновые углеводороды занимают промежуточное положение. Так как соотношение между указанными группами углеводородов меняется в топливах в широких пределах, то при прочих равных условиях каждому топливу соответствует своя максимально допустимая степень сжатия.

Детонационная стойкость топлива характеризуется октановым числом, которое определяется в специальном двигателе при строго стандартных условиях испытания. Октановым числом (О. Ч.) называется процентное по объему содержание изооктана (iCgHig) в такой смеси с нормальным гептаном (nCyHig), которая имеет такую же склонность к детонации, как и исследуемое топливо. Так, например, если исследуемое топливо при испытаниях детонирует так же, как смесь, содержащая 74% изооктана и 26% нормального гептана, то его октановое число равно 74.

Если детонационная стойкость топлива превосходит стойкость изооктана (О. Ч.>100), то при испытаниях топливо сравнивают с изооктаном, содержащим различные количества антидетонатора (тетраэтилсвинца). В этом случае детонационная стойкость топлива характеризуется содержанием антидетонатора в изооктане или условными показателями (условное октановое число, сортность).

Авиационные бензины имеют октановое число от 70 до 100 (и более), автомобильные бензины от 56 до 85, лигроины не нил<е 54, тракторные керосины не ниже 40.

Детонационная стойкость газообразных топлив, как правило, выше детонационной стойкости бензинов, что позволяет использовать газообразные топлива при более высоких степенях сжатия. Для большей части газообразных топлив октановое число лежит в пределах 90-ПО.

Склонность к воспламенению является одной из важнейших характеристик топлив для двигателей с воспламенением от сжатия. Топлива, более склонные к воспламенению, имеют меньший период задержки воспламенения \ вследствие чего рабочий процесс протекает более благоприятно. Воспламеняемость дизельных топлив зависит от группового химического состава. Наибольшей склонностью к воспламенению обладают углеводороды нормального парафинового ряда, наименьшей - углеводороды ароматического ряда. Нафтеновые углеводороды занимают промежуточное положение. Качество воспламеняемости дизельных топлив оценивается ц е -та новым числом, которое определяется в специальном двигателе при строго стандартных условиях испытания. Цетановым числом (Ц. Ч.) называется процентное по объелту содержание цетаиа (пСН^) в такой смеси с альфа-метилнафталипом (СцН^), которая имеет такую же склонность к воспламенению, как и исследуемое топливо. Так, например, если исследуемое топливо имеет такую же склонность к воспламенению, как смесь, содержащая 55% цетана и 45% альфа-метилнафталина, то его цетановое число равно 55.

Топливо для быстроходных двигателей с воспламенением от сжатия должно иметь цетановое число 40-60.

В технических условиях на проектирование двигателя указывается вид топлива, так как от свойств топлива зависит как выбор рабочего процесса, так и конструкции двигателя.

1 См. гл. IV.

3 Орлин и др. 2146



§ 3. РЕАКЦИИ СГОРАНИЯ И ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ

Полное сгорание при а>1

Ниже рассматривается случай сгорания топлива в воздухе, состоящем из 21% (по объёму) кислорода и 79% инертных газов, в основном - азота.

Количество воздуха, которое теоретически необходимо для сгорания топлива состава

C+H-f 0=-1 кг,

выражается из стехиометрических соотношений величиной

1 / С W о \ о^ 02Г (тг Х 32 ) <5ь сг топлива, (19)

или

i -

0,21-12

Эту формулу можно преобразовать так: г

Lq = -jg (0,79 + р) кг моль 1кг топлива. (20)

где величина р называется характеристикой топлива при сжигании в атмосферном воздухе и зависит как от элементарного состава топлива, так и от содержания кислорода в воздухе

3-0.79 /тт О

С

H---)=2,37-(21)

Из выражения (21) видно, что величина пропорциональна отношению количества кислорода, подведенного к топливу для сгорания водорода, к количеству кислорода, затрачиваемому на сгорание углерода. При этом предполагается, что кислород, содержащийся в топливе, уже соединен с водородом. Значения р для нефтяных топлив лежат в пределах 0,33-0,42.

Так как для каждого химического соединения вида С„Н^О^, входящего в состав газообразного топлива, реакцию сгорания можно написать в виде

1 кг моль С„Н^О, + + ---5 ) 2 моль = п кг моль COg +

+ -кгмольи^О, (22)

то выражение для количества воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1 кгмоль (м^) газообразного топлива состава

2 С„Н^О, + N2=1 кг моль {м^),

имеет вид

оИ ( Т---nrnr <г моль I кг моль или м^1м^ топлива. (23)

Сгорание топлива с теоретически необходимым количеством воздуха является частным случаем сгорания. В зависимости от способа регулирования мощности, условий работы двигателя (различные нагрузочные и скоростные режимы), способа смесеобразования и условий сгорания топлива соотношение



между количеством воздуха и количеством топлива, поступающим в цилиндр, может изменяться. На каждый килограмм топлива количество воздуха необходимого для сгорания, может быть больше или меньше теоретически необходимого Lq. В обоих случаях (при LLq) отношение действительного количества воздуха L к теоретически необходимому Lq называется коэффициентом избытка воздуха.

При коэффициенте избытка воздуха а = 1 в действительности все введенное топливо не сгорает до коне*1ных продуктов окисления. Это происходит вследствие невозможности получения такой совершенной смеси топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, в котором каждая частица топлива была бы обеспечена необходимым для ее сгорания количеством кислорода. Полное сгорание топлива возможно только при а > 1. Поэтому большая часть двигателей внутреннего сгорания работает с а>1. Однако в бензиновых двигателях автомобильного и авиационного типов, а также в двигателях со впрыском топлива и принудительным зажиганием при некоторых режимах работы коэффициент избытка воздуха может быть а = 1 или а< 1. Топливо при этих режимах сгорает только частично, и экономичность двигателя ухудшается.

Сгорание, при котором все горючие части топлива превращаются в конечные продукты окисления, называется полным сгоранием топлива. Если при полном сгорании топлива в продуктах сгорания отсутствует кислород, то такое сгорание называется совершенны м. Теоретически оно возможно при а = 1.

В настоящем разделе рассматривается полное сгорание топлива при а > 1 и предельный случай такого сгорания - совершенное сгорание при а = 1.

Горючая смесь до начала сгорания в карбюраторных двигателях состоит из воздуха и испарившегося топлива. Если через m-j- обозначить молекулярный вес топлива, то количество килограмм-мйлей горючей смеси на 1 кг топлива выразится величиной

yWj = aLp -Ь кг моль 1кг топлива. (25)

В газовых двигателях горючая смесь до начала сгорания состоит из топлива и воздуха, т. е.

Mi=\-{-aLQ кгмоль/кгмоль или м^/м^ топлива. (26)

В двигателях с воспламенением от сжатия и в калоризаторных двигателях объемом жидкого топлива, впрыск которого начинается в самом конце хода сжатия, можно пренебречь по сравнению с объемом воздуха поэтому для этого типа двигателей

Ml -(xLq кгмоль/кг топлива. (27)

Продукты полного сгорания топлива состоят из углекислого газа COg, водяного пара HgO, избыточного кислорода Og и азота Ng, поступившего с воздухом. Для жидкого топлива указанного ранее элементарного состава

При удельном весе дизельного топлива 0,88 (удельный объем 0,00114 ж^Асг) и при Lo = 0,495 кгмоль/кг топлива даже в случае а =1 объем жидкого топлива составляет 0,00114 л---: - Л

22 4-0 495 0,01% от объема воздуха при 0° С.



количество килограмм-хмолей этих компонентов продуктов сгорания выражается следующим образом:

С

Мсог = -]2 жо/гь/кг топлива; Н

Mi[o = -Y кгмоль1кг топлива;

Мо, = 0,21 (а - 1) Lo = {2-079 ~) ( + кгмоль1кг топлива;

а С

= 0,79aLo = 2-Q2\ кгмоль/кг топлива.

= + 4 + 0,21 (а - I) 1о -Ь 0,79аЛо = aLo +

H.-f

О

Н С g (0.79 4-р)-0.21 р 2 12 0,21.0.79

(28)

Общее количество продуктов сгорания определяется как сумма

= Мсо, + УИн.о + Мо, MNe. (29)

(30)

или

= -jg- + -g- Ч- 0.79Lp+(a- 1) = Жо+ (а- l)Lo кгжолб/кгтоплива, (31)

где

С н

Mo = -j2- + -g- +0,790 кгмоль\кг топлива.

(32)

Величина представляет собой количество продуктов сгорания, получающееся при сгорании 1 кг топлива принятого состава с теоретически необходимым количеством воздуха (а = 1), а величина (а - I)Lo кгмоль1кг топлива - избыточное количество воздуха, находящееся в продуктах сгорания, величина которого зависит от а.

Выражение (31) показывает, что продукты сгорания 1 кг топлива определенного состава при различных значениях а представляют собой смесь одного и того же количества продуктов сгорания при а = 1 с тем или иным количеством избыточного воздуха.

В то время как весовое количество продуктов сгорания остается равным сумме весов воздуха и топлива до сгорания, количество кгмоль, как видно из выражения (30), в общем случае не равно количеству килограмм-молей горючей смеси, т. е. не равно Mj. Такое изменение объема смеси при ее сгорании происходит вследствие изменения числа молекул газообразных продуктов сгорания по сравнению с числом молекул рабочей смеси до сгорания.

Изменение количества килограмм-молей рабочего тела при сгорании определяется как разность

Д М -= - М^.

Для двигателей с воспламенением от сжатия подстановка в эту формулу выражений* (30) и (27) дает

н-ь

о

о

кгмоль1кг топлива.

(33)




1 2 [ 3 ] 4 5 6 ... 20